热处理工艺对Ti53311S钛合金组织与性能的影响

　　1 前 言

　　Ti53311S钛合金是一种近α型高温钛合金，他的名义成分为Ti-5Al-3Sn-3Zr-1Mo-1Nb-0.3Si。其中，中性元素Zr与Sn主要起固溶强化的作用，与Al一起还能够稳定α相，并且可以提高合金的室温及高温抗拉强度和耐热性能; 少量的同晶型β稳定元素Mo、Nb可以稳定β相，同时使合金具有良好的热强性和热稳定性以及较大的高温瞬时强度[1-2]。Ti53311S钛合金具有良好的高温瞬时强度、抗蠕变性能以及热稳定性[3]，使用温度可以达到550℃，可用于制造喷气发动机和燃气涡轮发动机的压气机盘、叶片。目前主要用于卫星姿态控制发动机喷注器。

　　金属材料的显微组织和力学性能与其热处理制度有着密切关系。Ti53311S钛合金的常规热处理制度是高温淬火+时效。已有的研究表明:980℃淬火+560℃×6h时效后，Ti53311S钛合金的力学性能可达到最佳匹配[4]。后续的实验进一步证明，该合金整批淬火处理后经650℃×6h时效，强度更加稳定。然而，对该合金实施高温淬火+时效处理在生产执行过程中较为复杂。这是由于该合金棒材在高温淬火时，热加工产生的表面裂纹很容易向纵深发展，导致棒材表面裂纹在后续的机加工过程中去除不干净。因此，在生产过程中，需在淬火前对该合金棒材增加一次机加工，将表面裂纹去除干净，这使得该合金棒材的生产成本提高。为此，提出了将低温退火工艺应用于 Ti53311S钛合金棒材生产，并探索了低温退火工艺中的最佳温度和保温时间，以及低温退火和高温淬火+时效两种不同的热处理方式对两相区加工的Ti53311S钛合金棒材组织与性能的影响，旨在为实际生产中优化Ti53311S钛合金的热处理制度提供依据。

　　2 实 验

　　实验所使用的Ti53311S钛合金铸锭经三次真空电弧炉熔炼而成，尺寸为Φ440mm，化学成分见表1 。金相法测定该合金的(α+β)/β相转变温度为1000～1010℃。铸锭经开坯锻造、 两相区多火次锻造以及精锻加工成Φ50mm棒材，其组织如图1所示。

　　在精锻棒材上取样后，将试样分别在550, 600,650, 700℃保温60min，然后测试其室温力学性能，从而确定棒材低温退火的最佳温度。再分别研究当采用低温退火和高温淬火+时一效两种热处理制度时一，保温时一间对棒材性能与组织的影响，并对经两种热处理土艺处理后的棒材的性能进行对比，具体方案见表2。在热处理后的棒材上切取金相试样和拉伸试样，分别对其进行显微组织观察以及室、高温力学性能测试。

　　3 结果与分析

　　3.1 退火温度对低温退火后棒材力学性能的影响Ti53311S钛合金棒材经不同温度退火后的力学性能示于表3。从表3可以看出，随着退火温度的升高，棒材的强度有所降低，而塑性明显改善。当退火温度在600℃以下时，棒材的部分塑性指标达不到标准要求; 当在650℃以上时，棒材的强度与塑性有较好的匹配，且650℃退火后棒材的强度优于700℃退火后的棒材。考虑到生产过程中，强度指标容易出现波动，所以选定650℃为最佳低温退火温度。